理解电容ESR的实际意义

中心议题：

• ESR值与涟波电压的关系
• 温度对电容ESR值的影响

ESR是高频电解电容里面最重要的性能参数，很多电子元器件都强调“LOW ESR”这一性能特征，也就是ESR值很小的意思。那么，我们如何正确理解LOW ESR的实际意义呢？本文将通过介绍电容ESR值与涟波电压的关系及温度对电容ESR值的影响，探讨电容的ESR值对电容性能的影响。

ESR值与涟波电压的关系

由于现在电子技术的发展，供应给硬件的电压正呈现越来越低的趋势，例如INTEL、AMD的最新款CPU，电压均小于2V，相比以前动辄3、4V的电压要低得多。但是，另一方面这些芯片由于晶体管和频率爆增，需求的功耗却是有增无减，因此按P=UI的公式来计算，这些设备对电流的要求就越来越高了。

例如两颗功耗同样是70W的CPU，前者电压是3.3V，后者电压是1.8V。那么，前者的电流就是I=P/U=70W/3.3V大约在21.2A左右。而后者的电流就是I=P/U=70W/1.8V=38.9A，达到了前者的近一倍。在通过电容的电流越来越高的情况下，假如电容的ESR值不能保持在一个较小的范围，那么就会产生比以往更高的涟波电压（理想的输出直流电压应该是一条水平线，而涟波电压则是水平线上的波峰和波谷）。

此外，即使是相同的涟波电压，对低电压电路的影响也要比在高电压情况下更大。例如对于3.3V的CPU而言，0.2V涟波电压所占比例较小，还不足以形成致命的影响，但是对于1.8V的CPU而言，同样是0.2V的涟波电压，其所占的比例就足以造成数字电路的判断失误。

那么ESR值与涟波电压的关系何在呢？我们可以用以下公式表示：
V=R（ESR）×I
这个公式中的V就表示涟波电压，而R表示电容的ESR，I表示电流。可以看到，当电流增大的时候，即使在ESR保持不变的情况下，涟波电压也会成倍提高，采用更低ESR值的电容是势在必行。这就是为什么如今的板卡等硬件设备上所用的电容，越来越强调LOW ESR的缘故。

上图就是一个典型的滤波电路，这种电路也被应用在如今的显卡上。其中的SW IC相当于显卡上的开关电源，将输入的5V直流电转换为核心或者显存需要的3.3V直流电。而电路的L/C部分则构成电路的低通滤波器，目的就是尽量滤去直流电中的涟波电压。

而上图的表格则表明了，在L/C部分使用不同种类电容的情况下，这个电路中涟波电压的表现情况。可以看出，具有LOW ESR性能的铝固体聚合物导体电容（左边），其消除涟波电压的性能最强，钽二氧化锰电容（右边）性能次之，铝电解液电容（中间）表现最差。同时最后的数值还将受温度影响，这点我们还将在后面详细说明。
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温度对电容ESR值的影响

电容的性能并非一成不变，而是会受到环境的影响，而对电容影响最大的就是温度。而在不同种类的电容当中，采用电解液作为阴极材质的电容例如铝电解液电容，受温度影响又最为明显。因为在不同种类的阴极，例如电解液、二氧化锰、固体聚合物导体当中，只有电解液采用离子导电方式，而其余几种均采用电子导电方式。对于离子导电而言，温度越高，其离子活动越强，电离程度也越强。因此，在温度不超过额定限度的前提下，电解液电容在高温状态下的性能要比低温状态下更好。

上图代表25摄氏度下，三种电容降低涟波电压的能力（电路可以以上一章节中的电路图为参考）。其中第一个表格所使用的OSCON SVP铝固体聚合物导体电容（1颗，100μF，ESR=40毫欧姆） ），第二个表格所使用的是低阻抗铝电解液电容（3颗并联），第三个表格使用的是低阻抗钽电容（2颗并联）。

从表格中可以看出，在25摄氏度的常温状态下，三者所产生的涟波电压分别是22.8/23.8/24.8mV。也就是说，1颗铝固体聚合物导体电容，在25摄氏度下降低涟波电压的能力，大致相当于2颗钽电容和3颗铝电解液电容。
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上图同样是这三种电容，同一电路，在70摄氏度下降低涟波电压的表现。可以看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能改变都不大，依然保持在24~25mV左右，但是3颗铝电解液电容并联下的涟波电压降低到了16.4mV，这时只需要并联两颗这种电容，即可达到25摄氏度状态下的25mV左右水平，其性能提升巨大。
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下面我们就要看低温环境下这三种电容的表现了。上图是在零下20摄氏度下三种电容的成绩。可以看出，在低温环境下，铝电解液电容的性能降低得非常厉害。3颗并联状态下的涟波电压由25摄氏度下的23.8mV猛增到了57.6mV。要将涟波电压降低到和25摄氏度相同的数值，需要并联7颗这种电容。相比之下我们还能看出，铝固体聚合物导体电容和钽电容的性能，无论是在25度、70度还是-20度环境下，其波动都不大。

从以上分析我们不难看出，铝电解液电容的ESR值受温度影响是极其明显的。上面的图表则直接画出了不同种类电容，在不同温度状态下的ESR曲线。其中铝电解液电容（蓝色线）随温度（Y轴）的增加，ESR值（X轴）降低明显。而铝固体聚合物导体电容（紫色线）和钽电容（绿色线）以及高档陶瓷电容（红色线）则近似于直线，其ESR值受温度影响不大。而普通陶瓷电容（粉红线）则受温度影响较大。
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这里需要说明的是，上表中用做比较的铝固体聚合物导体电容，其容量较小（只有100μF），而且ESR并不太低（40毫欧）。如换上大容量，ESR更低的同类产品，最终性能表现将更加突出。